【力學(xué)課件】材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書

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1、材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書 材料力學(xué)實驗是材料力學(xué)課程的重要組成部分?？茖W(xué)史上許多重大發(fā)明是依靠科學(xué)實驗而得到的，材料力學(xué)中的一些理論和公式也是建立在實驗、觀察、推理、假設(shè)的基礎(chǔ)上，它們的正確性還必須由實驗來驗證。學(xué)生通過做實驗，用理論來解釋、分析實驗結(jié)果，又以實驗結(jié)果來證明理論，互相印證，以達(dá)到鞏固理論知識和學(xué)會實驗方法的雙重目的。材料力學(xué)實驗包括以下三個方面的內(nèi)容。 一、測定材料的力學(xué)性質(zhì)。材料的力學(xué)性質(zhì)通常是通過拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、斷裂韌性測試等試驗來測定的。通過這些試驗，學(xué)會測量材料力學(xué)性能的基本方法。在工程上，各種材料的力學(xué)性能是設(shè)計構(gòu)件時不可缺少的依據(jù)。 二、驗證理論公式

2、的正確性。在理論分析中，將實際問題抽象為理想模型，并做出某些科學(xué)假設(shè)（如彎曲中的平截面假定等），使問題簡化，從而推出一般性結(jié)論和公式，這是理論研究中常用的方法。但是這些假設(shè)和結(jié)論是否正確，理論公式能否應(yīng)用于實際之中，必須通過實驗來驗證。 三、實驗應(yīng)力分析。在工程實踐中，很多構(gòu)件的形狀和受載情況比較復(fù)雜，單純依靠理論計算不易得到正確的結(jié)果，必須用實驗的方法來了解構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律，從而解決強(qiáng)度問題，這種辦法稱為實驗應(yīng)力分析。目前實驗應(yīng)力分析的方法很多，這里只介紹應(yīng)用較廣的電測法。 實 驗 須 知 1．實驗前必須預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書中相關(guān)的內(nèi)容，了解本次實驗的目的、要求及注意

3、事項。 2．按預(yù)約實驗時間準(zhǔn)時進(jìn)入實驗室，不得無故遲到、早退、缺席。 3．進(jìn)入實驗室后，不得高聲喧嘩和擅自亂動儀器設(shè)備，損壞儀器要賠償。 4．保持實驗室整潔，不準(zhǔn)在機(jī)器、儀器及桌面上涂寫，不準(zhǔn)亂丟紙屑，不準(zhǔn)隨地吐痰。 5．實驗時應(yīng)嚴(yán)格遵守操作步驟和注意事項。實驗中，若遇儀器設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)立即向教師報告，及時檢查，排除故障后，方能繼續(xù)實驗。 6．實驗過程中，若未按操作規(guī)程操作儀器，導(dǎo)致儀器損壞者，將按學(xué)校有關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理。 7．實驗過程中，同組同學(xué)要相互配合，認(rèn)真測取和記錄實驗數(shù)據(jù)； 8．實驗結(jié)束后，將儀器、工具清理擺正。不得將實驗室的工具、儀器、材料等物品攜帶出實驗室。 9．

4、實驗完畢，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)教師認(rèn)可后方能離開實驗室。 10．實驗報告要求字跡端正、繪圖清晰、表格簡明、實驗結(jié)果正確。 目 錄 一、基礎(chǔ)實驗 …………………………………………………………………………… 4 實驗一 低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗 ………………………………………………….4 實驗二 低碳鋼和鑄鐵壓縮實驗 ………………………………………………….13 實驗三 扭轉(zhuǎn)試驗 …………………………………………………………………..16 實驗四 切變模量G的測定 …………………………………………………………24 實驗五 梁的彎曲正應(yīng)力實驗 …………………

5、…………………………………..27 實驗六 主應(yīng)力實驗 ………………………………………………………………..30 實驗七 壓桿穩(wěn)定實驗 ……………………………………………………………..33 二、綜合實驗 ………………………………………………………………………… 37 實驗一 粘貼電阻應(yīng)變片實驗 ……………………………………………….37 實驗二 偏心拉伸實驗 ………………………………………………….39 實驗三 沖擊實驗 …………………………………………………………………..42 實驗四 靜不定梁實驗 ………………………………………………………

6、…44 實驗五 等強(qiáng)度梁應(yīng)變測定實驗 …………………………………………………..45 實驗六 測定彈性常數(shù)及未知重量實驗 …………………………………………..52 實驗七 動應(yīng)力實驗 ……………………………………………………………..56 實驗報告 …………………………………………………………………………… 57 一、基礎(chǔ)實驗 實驗一 拉伸實驗 拉伸實驗是檢驗材料機(jī)械性能的最基本的實驗。 一、實驗?zāi)康? 1．了解試驗設(shè)備——萬能材料試驗機(jī)的構(gòu)造和工作原理，掌握其操作規(guī)程及使用時的注意事項。 2．測定低碳鋼的屈服極限(流動極限)σs,強(qiáng)度極限σ

7、b、伸長率、斷面收縮率。 3．測定鑄鐵的強(qiáng)度極限b。 4．觀察以上兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并利用自動繪圖裝置繪制拉伸圖 （P一曲線）。 5．比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸時的機(jī)械性質(zhì)。 二、實驗設(shè)備和量具 1．量具：游標(biāo)卡尺、鋼尺、分規(guī)。 2．設(shè)備：萬能材料試驗機(jī)。 圖1-1 液壓式萬能材料試驗機(jī)外形圖 下面將萬能材料試驗機(jī)的構(gòu)造、工作原理及操作規(guī)程介紹如下： 在材料力學(xué)實驗中，最常用的機(jī)器是萬能材料試驗機(jī)。它可以做拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗，故習(xí)慣上稱它為萬能材料試驗機(jī)，簡稱為全能機(jī)。全能機(jī)有多種類型。這

8、里僅對常用的兩種類型介紹如下： 1）WE——10型液壓擺式萬能材料試驗機(jī) WE—10型液壓擺式萬能材料試驗機(jī)的外形如圖1—1，它的構(gòu)造原理示意圖如圖 圖1-2 液壓擺式萬能材料試驗機(jī)原理示意圖 （1）加力部分 在試驗機(jī)的底座上，裝有兩根固定立柱2，立柱支承著固定橫梁3及工作油缸4。當(dāng)開動油泵電動機(jī)后，電動機(jī)帶動油泵5，將油箱里的油，經(jīng)送油閥23送至工作油缸4，推動其工作活塞6，使上橫梁7、活動立柱8和活動平臺9向上移動。如將拉伸樣裝于上夾頭10和下夾頭11內(nèi)，當(dāng)活動平臺向上移動時，因下夾頭不動，而上夾頭隨著平臺向上移動，則試樣受到拉伸

9、；如將試樣裝于平臺的承壓座12內(nèi)，平臺上升時，則試樣受到壓縮。 做拉伸實驗時，為了適應(yīng)不同長度的試樣，可開動下夾頭的電動機(jī)使之帶動蝸桿、蝸桿帶動蝸輪、蝸輪再帶動絲桿，可控制下夾頭上、下移動，調(diào)整適當(dāng)?shù)睦炜臻g。 （2）測力部分 裝在試驗機(jī)上的試樣受力后，它受力大小，可在測力盤上直接讀出。試樣受了載荷的作用，工作油缸內(nèi)的油就具有一定的壓力。這壓力的大小與試樣所受載荷的大小成比例。而測力油管將工作油缸與測力油缸14聯(lián)通，則測力油缸就受到與工作油缸相等的油壓。此油壓推動測力活塞15，帶動測力拉桿，使擺桿21和擺錘16繞支點轉(zhuǎn)動。試樣受力愈大，擺的轉(zhuǎn)角也愈大。擺桿轉(zhuǎn)動時，它上面的推桿便推動水平齒條

10、17，從而使齒輪帶動測力指針旋轉(zhuǎn)，這樣便可從測力度盤上讀出試樣受力的大小。擺錘的重量可以調(diào)換，一般試驗機(jī)可以更換三種錘重，故測力度盤上也相應(yīng)有三種刻度，這三種刻度對應(yīng)著機(jī)器的三種不同的量程。WE—10型萬能試驗機(jī)有0～20KN、0～60KN、0～ 100KN三種測量量程。 （3）操作步驟 ①加載前，測力指針應(yīng)指在度盤的“零”點，否則必須加以調(diào)整。調(diào)整時，先開動油泵電動機(jī)，將活動平臺升起3～5mm左右，然后稍旋動擺桿上的平衡鉈20，使擺桿保持鉛直位置，再轉(zhuǎn)動水平齒條使指針對準(zhǔn)“零”點。其所以先升起活動平臺才調(diào)整零點的原因，是由于上橫梁、活動立柱8和活動平臺等有相當(dāng)大的質(zhì)量，要有一定的油壓才

11、能將它升起。但是這部分油壓并未用來給試樣加載，不應(yīng)反映到試樣載荷的讀數(shù)中去。 ②選擇量程，裝上相應(yīng)的錘重。再一次按①方法，校準(zhǔn)“零”點。調(diào)好回油緩沖器的旋鈕，使之與所選的量程相同。 ③安裝試樣。壓縮試樣必須放置墊板。拉伸試樣則須調(diào)整下夾頭位置，使拉伸區(qū)間與試樣長短適應(yīng)。注意：試樣夾緊后，絕對不允許再調(diào)整下夾頭，否則會造成燒毀下夾頭電動機(jī)的嚴(yán)重事故。 ④調(diào)整好自動繪圖儀的傳動裝置和筆、紙等。 ⑤檢查送油、回油閥，一定要注意它們均應(yīng)在關(guān)閉位置。 ③開動油泵電動機(jī)，緩緩打開送油閥，用慢速均勻加載。 ③實驗完畢，立即停車取下試樣。這時關(guān)閉送油閥，緩慢

12、打開回油閥，使油液泄回油箱，于是活動平臺到原始位置。最后將一切機(jī)構(gòu)復(fù)原，并清理機(jī)器。 （4）注意事項 ①開車前和停車后，送油閥、回油閥一定要在關(guān)閉位置。加載、卸載和回油均應(yīng)緩慢進(jìn)行。加載時要求測力指針勻速平穩(wěn)地走動，應(yīng)嚴(yán)防送油閥開得過大，測力指針走動太快，致使試樣受到?jīng)_擊作用。 ②拉伸試樣夾住后，不得再調(diào)整下夾頭的位置，以使帶動下夾頭升降的電動機(jī)燒壞。 ③機(jī)器運轉(zhuǎn)時，操縱者必須集中注意力，中途不得離開，以免發(fā)生安全事故。 ④試驗時，不得觸動擺錘，以免影響試驗讀數(shù)。 ⑤在使用機(jī)器的過程中，如果聽到異聲或發(fā)生任何故障應(yīng)立即停車（切斷電源），

13、進(jìn)行檢查和修復(fù)。 三、實驗原理 1．為了檢驗低碳鋼拉伸時的機(jī)械性質(zhì)，應(yīng)使試樣軸向受拉直到斷裂，在拉伸過程中以及試樣斷裂后，測讀出必要的特征數(shù)據(jù)（如；PS、Pb、L1、dl）經(jīng)過計算，便可得到表示材料力學(xué)性能的四大指標(biāo)：s、b、、。 2．鑄鐵屬脆性材料，軸向拉伸時，在變形很小的情況下就斷裂，故一般測定其抗拉強(qiáng)度極限b。 四、實驗試樣 試樣的各部分名稱如圖 l—4。 夾持部分用來裝入試驗 圖1-4 圓形截面試件 機(jī)夾具中以便夾緊試樣，過 渡部分用來保證標(biāo)距部分能均勻受力，這兩部分的形狀和尺寸，決定于試樣的截

14、面形狀和尺寸以及機(jī)器夾具類型。 標(biāo)距10是待試部分，也是試樣的主體，其長度通常簡稱為標(biāo)距，也稱為計算長度。 試樣的尺寸和形狀對材料的塑性性質(zhì)影響很大。為了能正確地比較材料的機(jī)械性質(zhì)，國家對試樣尺寸作了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。 拉伸試樣分比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣系按公式計算而得。式中10為標(biāo)距，A0為標(biāo)距部分原始截面積，系數(shù) K通常為5.65和11.3（前者稱為短試樣，后者稱為長試樣）。據(jù)此，短、長圓形試樣的標(biāo)距長度10分別等于5d010d0。非比例試樣的標(biāo)距與其原橫截面間無上述一定的關(guān)系。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB228—76）將比例試樣尺寸列表如下： 試樣

15、 標(biāo)距長度L0（mm） 橫截面積A0（mm） 圓形試樣直徑 表示伸長率 的 符 號 比例 長 10d0 任意的 任意的 短 5d0 表中d0表示試樣標(biāo)距部分的原始直徑，，分別表示標(biāo)距長度L0為d0的10倍或5倍的試樣伸長率。 常用試樣的形狀尺寸、光潔度等可查國家標(biāo)準(zhǔn)GB228—76中的附錄一、二。 五、實驗方法及步驟 1．低碳鋼試樣的拉伸實驗 1）測定試樣的截面尺寸——圓試樣測定其直徑d0的方法是：在試樣標(biāo)距長度的兩端和中間三處予以測量，每處在兩個相互垂直的方向上各測一次，取其算術(shù)平均值，然后取這三個平均數(shù)的最

16、小值作為d0；矩形試樣測三個截面的寬度b與厚度a，求出相應(yīng)的三個A0，取最小的值作為A0。A0的計算精確度：當(dāng)A0≤100mm2時A0取小數(shù)點后面一位，當(dāng)A0＞100mm2時A0取整數(shù)。所需位數(shù)以后的數(shù)字按四舍五入處理。 2）試樣標(biāo)距長度10除了要根據(jù)圓試樣的直徑d0或矩形試樣的截面積A0來確定外，還應(yīng)將其化整到5mm或10mm的倍數(shù)。小于1.5mm的數(shù)值舍去之；等于或大于2.5mm但小于7.5者化整為5mm；等于或大于7.5mm者進(jìn)為10mm。在標(biāo)距長度的兩端各打一小標(biāo)點，此二點的位置，應(yīng)做到使其聯(lián)線平行于試樣的軸線。兩標(biāo)點之間用分劃器等分10格或20格，并刻出分格線，以便觀察變形

17、分布情況，測定延伸率。 3）根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度極限，估計加在試樣上的最大載荷，據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)器量程（也稱載荷級）。 每臺全能機(jī)都有幾個載荷級，其刻度范圍均自零至該級載荷的最大值。由于機(jī)器測力部分本身精確度的限制，每級載荷的刻度范圍只有一部分是有效的。有效部分的規(guī)律如下： 下限不小于該載荷級最大值的10％，且不小于整機(jī)最大載荷的4％。 上限不大于該載荷級最大值的90％。 實驗時應(yīng)保證全部待測載荷均在此范圍之內(nèi)。就本次實驗來說，也就是須保證屈服載荷Ps和極限載荷Pb均在該范圍之內(nèi)。假使機(jī)器有兩個載荷級都能滿足要求，則應(yīng)取較小的載荷級以提高載荷測讀精

18、度。 選定好機(jī)器量程，掛好相應(yīng)擺錘之后就可按一般程序調(diào)整試驗機(jī)，安裝試樣，并試車一次，即預(yù)加少量載荷然后卸載，至零點附近。試車的目的是檢查包括自動繪圖裝置在內(nèi)的試驗機(jī)工作是否正常。 4）試車正常后，正式實驗即可開始。 用慢速加載，使試樣的變形勻速增長。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸速度是：屈服前，應(yīng)力增加速度為10N／mm2／s（1kgf／mm2／s），屈服后，試驗機(jī)活動夾頭在負(fù)荷下的移動速度不大于0.510／min。在試樣勻速變形的過程中，測力盤上的指針起初也是勻速前進(jìn)的，但是，當(dāng)指針停止前進(jìn)或來回擺時就表明試樣進(jìn)入屈服階段，讀出此時的最小載荷Ps。借助于試驗機(jī)上自動繪出的

19、載荷——變形曲線可以幫助我們更好的判斷屈服階段的到達(dá)。對于A3鋼來說，屈服時的曲線如圖1—5(a)所示，其中PS上叫做上屈服載荷，與鋸齒狀曲線段最低點相應(yīng)的最小載荷PS下叫下屈服載荷。由于上屈服載荷隨試樣過度部分的不同而有很大差異，而下屈服載荷則基本一致，因此一般規(guī)定以下屈服載荷來計算屈服極限。有些材料，屈服時的曲線基本上是一個平臺的曲線而不是呈現(xiàn)出鋸齒形狀，如圖1—5(b)所示。 屈服階段終了以后，要使試樣繼續(xù)變形，就必須加大載荷。這時載荷——變形曲線將開始上升。 圖1-5 不同鋼材的屈服圖 材料進(jìn)入強(qiáng)化階段。如果在這一階段的某一點處進(jìn)行卸載，則可

20、以在自動繪圖儀上得到一條卸載曲線，實驗表明，它與曲線的起始直線部分基本平行。卸載后若重新加載，加載曲線則沿原卸載曲線上升直到該點，此后曲線基本上與未經(jīng)卸載的曲線重合，這就是冷作硬化效應(yīng)。 圖1-6 低碳鋼拉伸圖 隨著實驗的繼續(xù)進(jìn)行，載荷——變形曲線將前因后果趨平緩。當(dāng)載荷達(dá)到最大Pb之后，測力指針也相應(yīng)地由慢到快地回轉(zhuǎn)。最后試樣斷裂。根據(jù)測得的Pb可以按 計算出強(qiáng)度極限。 試樣斷后標(biāo)距部分長度11的測量：將試樣拉斷后的兩段在拉斷處緊密對接起來，盡量使其軸線位于一條直線上。拉斷處由于各種原因形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計入試樣拉斷后的標(biāo)距部分長度內(nèi)。11用

21、下述方法之一測定。 直測法：如拉斷處到鄰近標(biāo)距端點的距離大于10／3時，可直接測量兩端點間的長度。 移位法：如拉斷處到鄰近標(biāo)距端點的距離小于10／3時，則可按下法確定11： 在長段上從拉斷處0取基本等于短段格數(shù)，得B點，接著取等于長段所余格數(shù)（偶數(shù)，圖 l—7a）之半，得C點；或者取余格數(shù)（奇數(shù)，圖1一7b）減 1與加 1之半，分別得C與C1點，移位后的11分別為AO＋OB＋2BC或AO＋OB＋BC＋BC1。 測量了 11，按下式計算伸長率，即 短、長比例試樣的伸長率分別以δ5、δ10表示。 拉斷后縮頸處截面積A1的測定： 圓形試

22、樣在縮頸最小處兩個相互垂直方向上測量其直徑，用二者的算術(shù)平均值作為斷口直徑d1，來計算其A1。斷面收縮率按下式計算： 圖1-7 斷口移位法示意圖 最后，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，按有效數(shù)字的選取和運算法則確定所需的位數(shù)，所需位數(shù)后的數(shù)字，按四舍六入五單雙法處理。 2．灰鑄鐵試樣的拉伸實驗 灰鑄鐵這類脆性材料拉伸時的載荷—一變形曲線如圖1—8所示。它不象低碳鋼拉伸那樣明顯可為分線性、屈服、頸縮、斷裂等四個階段而是一根非常接近直線狀的曲線，并沒有下降段。灰鑄鐵試樣是在非常微小的變形情況下突然斷裂的，斷裂后幾乎測不到殘變形。注意到這些特點，可知灰鑄鐵不僅

23、不具有，而且測定它的和也沒有實際義。這樣，對灰鑄鐵只需測定它的強(qiáng)度極限就可以了。 測定可取制備好的試樣，只測出其截面積A0，然后裝在試驗機(jī)上逐漸緩慢加載直 到試樣斷裂，記下最后載荷Pb，據(jù)此即可算得強(qiáng)度極限 六：思考題 1、由拉伸試驗所確定的材料機(jī)械性能數(shù)值有何實用價值？ 2、為什么拉伸試驗必須采用標(biāo)準(zhǔn)試樣或比例試樣？材料和直徑相同而長短不同的試 樣，它們的延伸率是否相同？ 圖1-8 鑄鐵拉伸圖 實驗二 壓縮實驗 一、實驗?zāi)康? 1．測定壓縮時低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強(qiáng)度極限。 二、設(shè)備和量具 1．萬能材料

24、試驗機(jī) 2．游標(biāo)卡尺 三、實驗原理及步驟 低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試樣一般制成圓柱形，高h(yuǎn)o與直徑do之比在1～3 的范圍內(nèi)。目前常用的壓縮試驗方法是兩端平壓法。這種壓縮試驗方法，試樣的上下兩端與試驗機(jī)承墊之間會產(chǎn)生很大的摩擦力，它們阻礙著試樣上部及下部的橫向變形，導(dǎo)致測得的抗壓強(qiáng)度較實際偏高。當(dāng)試樣的高度相對增加時，摩擦力對試樣中部的影響就變得小了，因此抗壓強(qiáng)度與比值ho／do有關(guān)。由此可見，壓縮試驗是與試驗條件有關(guān)的。為了在相同的試驗條件下，對不同材料的抗壓性能進(jìn)行比較，應(yīng)對ho／do的值作出規(guī)定。實踐表明，此值取在1～3的范圍內(nèi)為宜。若小于l，則摩擦力的影響太

25、大；若大于3，雖然摩擦力的影響減小，但穩(wěn)定性的影響卻突出起來。 為了保證正確地使試樣中心受壓，試樣兩 端面必須平行及光滑，并且與試樣軸線垂直。 實驗時必須要加球形承墊，如圖2—1所示，它 可位于試樣上端，也可以位于下端。球形承墊 的作用是，當(dāng)試樣兩端稍不平行，它可起調(diào)節(jié) 作用。低碳鋼試樣壓縮時同樣存在彈性極限、 圖2-1 球型承墊圖 比例極限、屈服極限而且數(shù)值和拉伸所得的相 應(yīng)數(shù)值差不多，但是在屈服時卻不象拉伸那樣明顯。 從進(jìn)入屈服開始，試樣塑性變形就有較大的增長，試樣截面面積隨之增大。由于截面面積的增大，要維持屈服時的應(yīng)力，載荷也就要相應(yīng)增大。

26、因此，在整個屈服階段，載荷也是上升的，在測力盤上看不到指針倒退現(xiàn)象，這樣，判定壓縮時的Ps要特別小心地注意觀察。 在緩慢均勻加載下，測力指針是等速轉(zhuǎn)動的，當(dāng)材料發(fā)生屈服時，測力指針的轉(zhuǎn)動將出現(xiàn)減慢，這時所對應(yīng)的載荷即為屈服載荷Ps。由于指針轉(zhuǎn)動速度的減慢不十分明顯，故還要結(jié)合自動繪圖裝置上繪出的壓縮曲線中的的拐點來判斷和確定Ps。 低碳鋼的壓縮圖（即P一△1曲線）如圖2—2所示，超過屈服之后，低碳鋼試樣由原來的圓柱形逐漸被壓成鼓形，即如圖2—4。繼續(xù)不斷加壓，試樣將愈壓愈扁，但總不破壞。所以，低碳鋼不具有抗壓強(qiáng)度極限（也可將它的抗壓強(qiáng)度極限理解為無限大），低碳鋼的壓縮曲線也可證實這一點。

27、 圖2-2 低碳鋼壓縮圖 圖2-3 鑄鐵壓縮圖 灰鑄鐵在拉伸時是屬于塑性很差的一種脆性材料，但在受壓時，試件在達(dá)到最大載荷Pb前將會產(chǎn)生較大的塑性變形，最后被壓成鼓形而斷裂。鑄鐵的壓縮圖（P一△1曲線）如圖2—3所示，灰鑄鐵試樣的斷裂有兩特點：一是斷口為斜斷口，如圖2—5所示。 圖2-4 壓縮時低碳鋼變形示意圖 圖2-5 壓縮時鑄鐵破壞斷口 二是按Pb/A0求得的遠(yuǎn)比拉伸時為高，大致是拉伸時的 3—4倍。為什么象灰鑄鐵這脆性材料的抗拉坑壓能力相差這么大呢？這主要與材料本身情況（內(nèi)因）和受力狀態(tài)（外因）有關(guān)。鑄鐵壓縮

28、時沿斜截面斷裂，其主要原因是由剪應(yīng)力引起的。假使測量鑄鐵受壓試樣斜斷口傾角，則可發(fā)現(xiàn)它略大于45o而不是最大剪應(yīng)力所在截面，這是因為試樣兩端存在摩擦力造成的。 四、試驗步驟 1．低碳鋼試樣的壓縮實驗 l）測定試樣的截面尺寸——用游標(biāo)卡尺在試樣高度中央取一處予以測量，沿兩個互相垂直的方向各測一次取其算術(shù)平均值作為do來計算截面面積Ao。用游標(biāo)卡尺測量試樣的高度。 2）試驗機(jī)的調(diào)整——估算屈服載荷的大小，選擇測力度盤，調(diào)整指針對準(zhǔn)零點，并調(diào)整好自動繪圖儀。 3）安裝試樣——將試樣準(zhǔn)確地放在試驗機(jī)活動平臺承墊的中心位置上。 4）檢查及試車——試車時

29、先提升試驗活動平臺，使試樣隨之上升。當(dāng)上承墊接近試樣時，應(yīng)大大減慢活動臺上升的速度。注意：必須切實避免急劇加載。待試樣與上承墊接觸受力后，用慢速預(yù)先加少量載荷，然后卸載接近零點，檢查試驗機(jī)包括自動繪圖部分）工作是否正常。 5）進(jìn)行試驗——緩慢均勻地加載，注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動情況和繪圖紙上曲線，以便及時而正確地確定屈服載荷，并記錄之。 屈服階段結(jié)束后繼續(xù)加載，將試樣壓成鼓形即可停止。 2．鑄鐵試樣的壓縮實驗 鑄鐵試樣壓縮試驗的步驟與低碳鋼壓縮試驗基本相同，但不測屈服載荷而測最大載荷。此外，要在試樣周圍加防護(hù)罩；以免在試驗過程中試樣飛出傷人。 五、思考題

30、 1．鑄鐵的破壞形式說明了什么？ 2．低碳鋼和鑄鐵在拉伸及壓縮時機(jī)械性質(zhì)有何差異？ 實驗三 扭轉(zhuǎn)試驗 一、實驗?zāi)康? 1．測定低碳鋼的剪切屈服極限及剪切強(qiáng)度極限。 2．測定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。 3．觀察并比較低碳鋼及鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)破壞的情況。 二、實驗設(shè)備和量具 1．游標(biāo)卡尺 2．扭力試驗機(jī) 扭力試驗機(jī)是一種可對試樣施加扭矩并能指示出扭矩大小的機(jī)器。它的類型有好多種，構(gòu)造也各有不同。下面介紹兩種常見的扭力機(jī)。 1）K—50型扭力試驗機(jī) 此種試驗機(jī)采用機(jī)械傳動加載，用擺式機(jī)構(gòu)測示扭矩。它的量程隨所用擺錘的不

31、同重量而分三種：100Nm（10Kgm）、200Nm（20Kgm）500Nm（50Kgm）；相應(yīng)的精度分別為 0.5N m（0.05Kgm）、1.0N p（0.10Kg m）、2.0N m（0．20Kg m）。它適用于直徑為 10～25mm長度為 100～700mm的試件。 圖4-1 K—50型扭力試驗機(jī)外形圖 試驗機(jī)的外形如圖4—1所示，其傳動系統(tǒng)如圖4—2所示。其操作步驟如下： 圖4-2 K—50型扭力試驗傳動系統(tǒng)圖 （1）檢查試驗機(jī)夾頭1、2的形式與試件是否配合；測角度盤15置“0”；檢查自動繪

32、圖器工作是否正常。 （2）估計試件所需的最大扭矩，選擇適宜的測力度盤12并配置相應(yīng)的擺錘13。 （3）當(dāng)擺桿保持鉛直時，測力指針12應(yīng)對準(zhǔn)“零”點。否則，松開度盤上的螺母，轉(zhuǎn)動度盤使指針對準(zhǔn)“零”點。再擰緊螺母。 （4）安裝試件——先將試件的一端放在固定夾頭2中，搖動調(diào)距手柄3，使活動夾頭1連同與它在一起的齒輪箱17沿傳動主軸8和水平導(dǎo)軸4移動，使試件另一端插入活動夾頭中后，再予以夾緊。 （5）加載——有手搖加載與電動加載之分。 手搖加載：將變速桿5放在“空轉(zhuǎn)”位置，搖動手搖柄6，帶動變速箱中的軸II，使傳動主軸8、活動夾頭I旋轉(zhuǎn)。通過試件使固定夾頭2也跟著

33、旋轉(zhuǎn)。這樣，與固定夾頭連在一起的擺桿11和擺錘13也就跟著擺起來了，以平衡活動夾頭加在試件上的力偶，于是試件便發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，隨受扭矩作用。因此，擺錘力矩就等于試件所承受的扭矩。擺錘在擺起時推動與測力度盤相聯(lián)的齒桿，使齒輪和指針轉(zhuǎn)動，于是指針便在測力度盤12上指出試件所受扭矩的大小。 電動加載：將變速桿5放在“0.3轉(zhuǎn)／分”或 1轉(zhuǎn)／分”處，此時，軸I上的兩個齒輪之一，便通過滑鍵與軸I聯(lián)在一起，開動電機(jī)10，經(jīng)三角皮帶動軸I、II等傳動系統(tǒng)，對試件快速加載。 （6）測扭轉(zhuǎn)角——傳動主軸8除帶動活動夾頭轉(zhuǎn)動外，在它的一端還裝有一個測角度盤15，用它指示試件轉(zhuǎn)動端的絕對扭轉(zhuǎn)角。測角度盤上的測角指

34、標(biāo)16與試件被動端聯(lián) 動，因此指標(biāo)桿在度盤上所指數(shù)值便是試件兩端的相對扭轉(zhuǎn)角。度盤最小刻度為1o，因此只適用于測量大變形。測角度盤上還附有一個計數(shù)裝置，可以指出試件扭轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)。 （7）自動繪圖——如果需要記錄試驗過程中扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，應(yīng)在加載荷前 調(diào)好自動繪圖器的傳動裝置、圖紙、筆尖和墨水。筆尖由推動測力指針的齒桿帶動，而圖紙滾動則與傳動主軸8聯(lián)動。這樣，隨著試驗過程的進(jìn)行，筆尖便在圖紙上自動地繪出Mn一曲線。曲線上各點的縱坐標(biāo)為扭矩，橫坐標(biāo)為試件轉(zhuǎn)動端的絕對扭轉(zhuǎn)角。 （8）注意事項 ①機(jī)器運轉(zhuǎn)時，操作者不得離開。所見異聲或發(fā)生故障，應(yīng)立即停車。

35、 ②在實驗時，不得觸動擺錘，以免影響測讀扭矩精度。 ③采用電動加載時，手搖柄必須先取掉，以免其飛出造成事故。 2）NN—100A型扭力試驗機(jī) 此機(jī)是一種機(jī)械傳動加載，擺式機(jī)構(gòu)測扭矩的扭力試驗機(jī)。它有三種量程：200Nm（20Kgm）、500Nm（50Kgm）、1000Nm（100Kgm）；相應(yīng)的精度分別為0.4Nm（0.04Kgm）、1.0Nm（0.10Kgm）、2.0Nm（0.20Kgm）。它適用于直徑為10～20mm，長度為100～600mrn的試件。 試驗機(jī)的外形如圖4—3所示，其測力機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)如圖4—4所示。其操作步驟如下： （

36、1）檢查試驗機(jī)夾頭1、2的形式是否與試件配合，離合器桿4是否放在正確位置上。 （2）根據(jù)試件所需的最大扭矩，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)輪10至相應(yīng)位置，以選擇適當(dāng)?shù)臏y力度盤5。 （3）安裝試件先將試件一端裝在固定夾頭1中，向左移動活動車頭12并轉(zhuǎn)動加載夾頭2，使試件的另一端插人夾頭2中。 （4）旋動調(diào)零手輪使測力度盤上的指針對“零”。 （5）加載也有手動和電動之分。 手動加載：將離合器桿調(diào)到中央位置上（即“空車”位置），用手轉(zhuǎn)動手輪11加載。 圖4-3 NN—100型扭力試驗機(jī)外形圖 電動加載：選用離合器桿可使加載夾頭具

37、有四種轉(zhuǎn)速：7度／分、21度／分、60度／分、180度／分。電動加載時，先將離合器桿4調(diào)到所欲用的轉(zhuǎn)速位置上，按下開關(guān)按扭（“正向”、“反向”均可），開動電動機(jī)6通過變速箱5、齒輪箱3等傳動系統(tǒng)，使加載夾頭2順時針（或逆時針）傳動，試件便產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。 試件受力后，固定夾頭就會旋轉(zhuǎn)一個不大的角度（不超過 27ˊ），與固定夾頭團(tuán)結(jié)在一起的大杠桿也就跟著旋轉(zhuǎn)。無論這種旋轉(zhuǎn)是順時針的還是反時針的，通過反向杠桿、變支點杠桿，總使拉桿下行。拉桿下行的結(jié)果，一方面揚起擺錘來平衡加載夾頭加在試樣上的力偶，使試件受到扭矩的作用，另一方面帶動撥桿、推桿，使指針旋轉(zhuǎn)，從而在

38、 圖4-4 NN—100型扭力試驗機(jī)測力機(jī)構(gòu)圖 1—反向杠桿，2—變支點杠桿，3—拉桿，4—擺錘，5—撥桿，6—推桿，7—指針，8—限位開關(guān)，9—大杠桿，10—擺桿，11—平衡鉈，12—滑架，13—調(diào)節(jié)輪，14—調(diào)零手輪，15—輪，16—繩輪 表盤上顯示試樣所受的扭矩。如所加扭矩超過了所用的測力量程，則揚起的擺桿上的一個彈簧片就會使限位開關(guān)動作，切斷電源，自動停車。 （8）注意事項 ①一旦試樣承受了扭矩，即測力指針已經(jīng)走動之后，就不允許再改變量程。 ②在實驗時，不得觸動活動車頭。 ③如發(fā)生異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即停車。 三、實驗原理 本試驗

39、使用圓形截面試件。 將試件裝在扭力試驗機(jī)上，開動機(jī)器，給試件加扭矩。利用機(jī)器上的自動繪圖裝置，可以得到Mn一曲線。這Mn一曲線也叫扭轉(zhuǎn)圖。低碳鋼試件的Mn一曲線，如圖4—5所示。 圖中起始直線段OA表明試件在這階 段中的Mn與成比例， 截面上的剪應(yīng)力 呈線性分布，如圖 4—6（a）。在 A點處， 圖4-5 低碳鋼試件扭轉(zhuǎn)圖 Mn 與的比例關(guān)系開始破壞，此時截面周 邊上的剪應(yīng)力達(dá)到了材料的剪切屈服極限，相應(yīng)的扭矩記為MP。 由于這時截面內(nèi)部的剪應(yīng)力尚小于，故試件仍具有承載能力，Mn—曲線呈繼續(xù)上升的趨勢。 扭矩超過 MP后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖 4—6（b）。在

40、截面上出現(xiàn)了一個環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著Mn的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，Mn—曲線稍微上升，直到B點趨于平坦，截面上各材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動或擺動，此時測力度盤上指示出的扭矩或指針擺動的最小值即為屈服扭矩Ms。如圖4—6（C），根據(jù)靜力平衡條件，可以求得與Ms的關(guān)系為： 將式中dA用環(huán)狀面積元素表示，則有 （4—1） 故剪切屈服極限 式中是試件的抗扭截面模量。 圖4-6 截面上剪應(yīng)力分布圖 繼續(xù)給試件加載，試件再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到Mn一曲線上的C點時，試件被剪斷。由測力度盤上的被動計可讀出最大扭矩Mb，與公式（4—1）相似

41、，可得剪切強(qiáng)度極限 （4—2） 鑄鐵的Mn一曲線如圖4一7所示。從開始受扭， 直到破壞，近似為一直線，按彈性應(yīng)力公式，其剪切強(qiáng) 度極限： （4—3） 圖4-7 鑄鐵的扭轉(zhuǎn)圖 試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，在 垂直于桿軸和平行于桿軸的各平面上作用著剪 應(yīng)力，而與桿軸成45角的螺旋面上。則分別 只作用著、的正應(yīng)力，如圖 圖4-8 試沖受扭的應(yīng)力分布圖 4—8所示。 由于低碳鋼的抗拉能力高于抗剪 能力，故試件沿橫截面剪斷，而鑄鐵的抗拉能 力低于抗剪能力， 故試件從表面上某一

42、最弱處，沿與軸線成45方向拉斷成一螺旋面。 四、試驗步驟 1．用游標(biāo)卡尺測量試件直徑，求出抗扭截面模量Wn。在試件的中央和兩端共三處，每處測一對正交方向，取平均值作該處直徑，然后取三處直徑最小者，作為試件直徑d，并據(jù)此計算Wn。 2．根據(jù)求出的Wn、估計試件材料的，求出大致需要的最大載荷，確定所需的機(jī)器量程。 3．將試件兩端裝入試驗機(jī)的夾頭內(nèi)，調(diào)整好繪圖裝置，將指針對準(zhǔn)零點，并將測角度盤調(diào)整到零。 4．用粉筆在試件表面上畫一縱向線，以便觀察度件的扭轉(zhuǎn)變形情況。 5．對于低碳鋼試件，可以先用手動（或慢速電動加載）緩慢而均勻地加載，當(dāng)測力指針前進(jìn)速度漸漸減慢以至

43、停留不動或擺動，這時，它表明的值就是Ms（注意：指針停止不動時間很短，因此要留心觀察）。然后卸掉手搖柄，用電動加載（或換成快速電動加載）直至試件破壞并立即停車。記下被動指針?biāo)傅淖畲笈ぞ?，注意觀察測角度盤的讀數(shù)。 6．鑄鐵試件的試驗步驟與低碳鋼相同，可直接用電動加載，記錄試件破壞時的最大扭矩值。 五、思考題 1．低碳鋼與鑄鐵試樣破壞等情況有何不同？為什么。 2．根據(jù)拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)三種試驗結(jié)果，綜合分析低碳鋼與鑄鐵的機(jī)械性質(zhì)。 實驗四 切變模量G的測定 一、實驗?zāi)康? 1．測定低碳鋼材料的切變模量G。 2．驗證材料受扭時在比例極限內(nèi)的剪切虎克定律。 二、實驗

44、原理 圓軸受扭時，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。在比例極限以內(nèi)，材料的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成正比，即滿足剪切虎克定律： 由此可得出圓軸受扭時的虎克定律表達(dá)式： 式中Mn為扭矩10是試件的標(biāo)距長度Ip為圓截面的極慣性矩。 通過扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，對試件逐級增加同樣大小的扭矩△Mn，相應(yīng)地由扭角儀測出相距為10的兩個截面之間的相對扭轉(zhuǎn)角增量ΦI。如果每一級扭矩增量所引起的扭轉(zhuǎn)角增量 △Φi基本相同，這就驗證了剪切虎克定律。根據(jù)測得的各級扭轉(zhuǎn)角增量的平均值△Φ，可用下式算出切變模量 三、實驗設(shè)備和量具 1．扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)。它的構(gòu)造、工作原理及使用方法見實驗四。 2．游標(biāo)卡尺。 3．扭角儀。

45、 鋼在彈性范圍內(nèi)，兩截面間的相對扭角是非常微小的，用扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上的測角裝置是難以精確測讀的。需要具有放大倍數(shù)大、精度高的專門儀器，這種儀器一般稱為側(cè)角儀。 測角儀的種類很多，按其結(jié)構(gòu)來分， 有機(jī)械式、光學(xué)式和電子式等。但它們的 基本原理是相同的， 都是將試件某截面 圖5-1 機(jī)械式扭角儀 圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長與其另一截面 圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長之差進(jìn)行放大 后再測讀。 圖5—1所示的是一種機(jī)械式測角儀。在試件的A、B兩截面處，分別裝上 了測角儀的兩根臂桿AC和BDE，以放大A、B兩截面圓周繞其形心旋轉(zhuǎn)的弧長。如果用千分表來放大、測讀兩臂桿的相對旋轉(zhuǎn)弧

46、長，那就是機(jī)械式測角儀（如果用鏡片來代替二臂桿，分別用光杠桿放大A、B兩截面圓周旋轉(zhuǎn)的相對弧長，就成為鏡式測角儀。如果差動變壓器替代千分表，可將二臂桿的相對旋轉(zhuǎn)弧長，以電量訊號輸出，再接上二次顯示儀表，就是電子式測角儀）。 當(dāng)試件受扭時，固夾在試件上的AC，BDE桿就會繞試件軸轉(zhuǎn)動，曲桿BDE就會使安裝在AC桿上的千分表指針走動。設(shè)指針走動的位移為，千分表推桿頂針處E到試樣的軸線的距離為b，則A、B截面的相對扭轉(zhuǎn)角為 （注意：這樣計算出來的的單位為弧長） 四、實驗步驟 1．測量試件直徑d。在試件的標(biāo)距內(nèi)，用游標(biāo)卡尺量測中間和兩端等三處直徑，每處測一對正交方向，取平均值，作為

47、計算截面極慣性矩IP之用。 2．?dāng)M定加載方案。根據(jù)試樣的直徑d，求出抗扭截面模量Wn，估計試件材料的剪切比例極限，按下式求出應(yīng)加在試樣上的最小和最大扭矩值： （Mn）min＝（0.10～0.20）Wn （Mn）max＝（0.75～0.85）Wn 材料的強(qiáng)度越高，（Mn）min越應(yīng)取得接近上限，（Mn）max越應(yīng)取得接近下限。對低碳鋼來說，可?。∕n）min＝0.10Wn，（Mn）max＝0.80Wn。至于能從有關(guān)手冊中查得更好，否則可按=0.80來估計。 根據(jù)擬定的（Mn）min和（Mn）max來選擇扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的使用量程。 在（Mn）min和（Mn）max的范圍內(nèi)分4～5級進(jìn)行加載

48、，確定每級的扭矩增量△Mn，這增量要使扭角儀有明顯的讀數(shù)變化。 3．安裝扭角儀和試件。在試件的標(biāo)距兩端，裝上扭角儀。先將試件的一端裝入扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)的固定夾頭，然后，將另一端裝入主動夾頭，用扳物擰緊夾緊螺栓，防止試驗時打滑。 4．用扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)上的手搖裝置，施加扭矩到（Mn）max，與此同時，檢查扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)和扭角儀的運行是否正常，然后卸載到（Mn）min以下少許，處于待令工作狀態(tài)。 5．測讀數(shù)據(jù)。加載到（Mn）min，讀取扭角儀上的相應(yīng)初讀數(shù)。此后，每加載一級扭矩增量△Mn，讀取相應(yīng)的扭角儀讀數(shù)，直到扭矩加到（Mn）max為止。 6．結(jié)束工作。測讀完畢，首先取下試件，然后卸下扭角儀。 

49、實驗五 梁的彎曲正應(yīng)力實驗 一、實驗?zāi)康? 測定梁純彎曲時的正應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較，驗證彎曲正應(yīng)力公式。 二、實驗設(shè)備 1、萬能試驗機(jī)。 2、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與預(yù)調(diào)平衡箱。 3、游標(biāo)卡尺、鋼尺。 三、實驗原理 已知梁受純彎曲時的正應(yīng)力公式為 式中M為作用在截面上的彎矩，JZ為橫截面對中性軸Z的慣矩，Y為由中性軸到欲測點的距離。 本實驗采用低碳鋼制成的矩形截面梁，在梁承受純彎曲的某一截面上，沿軸向貼上五個電阻變應(yīng)片，如圖7—1所示，Rl和R5分別貼在梁的頂部和低部，R2、R4貼在 的位置，R3在中性軸上。當(dāng)梁

50、受彎曲時，即可測出各點處的軸向應(yīng)變（i=1、2、3、4、5）。由于梁的各層纖維之間無擠壓，根據(jù)單向應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律，求出各點的實驗應(yīng)力 為： = E（i=1、2、3、4、5） 式中E是梁材料的彈性模量。 這里采用的增量法加載，每增加等量的載荷△P，測得各點相應(yīng)的應(yīng)變增量為△，求出△的平均值，依次求出各點的應(yīng)力增量△為： △ = E （7—1） 把△與理論公式算出的應(yīng)力增量： △ = （7—2） 加以比較從而驗證理論公式的正確性。從圖 7—l的試驗裝置可知，△M應(yīng)為： （7—3）

51、四、實驗步驟 1、根據(jù)材料的屈服極限，擬定加載方案。 2、選用試驗機(jī)測力盤，復(fù)習(xí)試驗操作規(guī)程。 3、將各工作片、補(bǔ)償片接入預(yù)調(diào)平衡箱，各點預(yù)調(diào)平衡。 圖7—1 4、檢查及試車 請指導(dǎo)教師檢查后，開始試車。上升試驗機(jī)工作臺。當(dāng)試驗機(jī)壓頭接近橫梁時，減慢上升速度，以防急劇加載，損壞試件。加載至預(yù)定載荷的最大值時，慢慢卸載，檢查試驗機(jī)，應(yīng)變儀是否處于正常狀態(tài)。 5、進(jìn)行試驗 再次預(yù)調(diào)平衡，分級加載，逐次逐點進(jìn)行測量，記下讀數(shù)，直至最大載荷，測量完畢后，卸載。上述過程重復(fù)兩次，以獲得具有重復(fù)性的可靠試驗結(jié)果。 五、實

52、驗結(jié)果的處理 1、根據(jù)實驗結(jié)果，逐點算出應(yīng)變增量平均值代入公式（7—1）求出△。 2、根據(jù)公式（7—3）、（7—2）計算各點的理論彎曲應(yīng)力值△。 3、實驗值與理論值進(jìn)行比較，求出百分誤差。 六、思考題 1、實驗結(jié)果和理論計算是否一致？如不一致，其主要影響因素是什么？ 2、彎曲正應(yīng)力的大小是否會受材料彈性系數(shù)E的影響？ 實驗六 主應(yīng)力實驗 一、實驗?zāi)康? l、用實驗方法測定平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的大小及方向。 2、學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變的應(yīng)用。 二、實驗設(shè)備 1、電阻應(yīng)變儀及預(yù)調(diào)平衡箱。 2、帶有橫臂的空心圓軸，見圖8—1。 3

53、、游標(biāo)卡尺及鋼尺。 圖8—1 三、原理 平面應(yīng)力狀態(tài)下任一點的應(yīng)力有三個未知數(shù)（主應(yīng)力大小及方向）。應(yīng)用電阻應(yīng)變儀及應(yīng)變花可測得一點沿不同方向的三個應(yīng)變值，例如圖8—2所示的三個方向已知的應(yīng)變、及。根據(jù)這三個應(yīng)變值可以計算出主為及的大小和方向。因而主應(yīng)力的方向亦可確定（與主應(yīng)變方向重合）。主應(yīng)力的大小可從各向同性材料的廣義虎克定律求得： （8—1） 為了方便起見，把三個已知方向的應(yīng)變、和間隔一定的角度。組成所謂“應(yīng)變花”圖8一3即為常見的“直角應(yīng)變花”。所測得的應(yīng)變

54、分別的、及，即可由下式計算出主應(yīng)變及的大小和方向： （8—2） 若所測部位主應(yīng)力的方向已知，則只須用兩個電阻片，使其方向與已知主應(yīng)力方向重合，即可測出主應(yīng)變和，如圖8—4所示，再用公式（8一1）計算出主應(yīng)力的大小。 圖8—2 圖8—3 本實驗以圖8一1所示空心圓軸為測量對象一端固定，另一端裝一固定橫桿，軸與桿的軸線彼此垂直，并且位于水平之內(nèi)。今在橫桿自由端加碼，使軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合變形。由扭—彎組合理論可知，A—A截面的上表面A點的應(yīng)力狀態(tài)。如圖8—5所示，其主應(yīng)力與主方向的理論值分

55、別為： 圖8—5 （8—3） 和 然后將計算所得主應(yīng)力及主方向理論值與實測值進(jìn)行比較。 四、實驗步驟 1、試件準(zhǔn)備 測量空心圓軸的內(nèi)、外直徑D及d長度L及1，見圖8-1，擬定加載方案。 2．儀器準(zhǔn)備 將各電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀的預(yù)調(diào)平行箱上，依次將各點預(yù)調(diào)平衡。 3、進(jìn)行實驗 根據(jù)加載方案，逐級加載，逐級逐點測量并記錄測得數(shù)據(jù)，測量完

56、畢，卸載。以上過程可重復(fù)一次，檢查兩次數(shù)據(jù)是否相同，必要時對個別點進(jìn)行單點復(fù)測，以得可靠的實驗數(shù)據(jù)。 五、實驗結(jié)果的處理 將整理后的實驗數(shù)據(jù)填寫在試驗報告的“試驗記錄”一欄中。由這些數(shù)據(jù)的△、△及△應(yīng)用（8—2）和（8—1）式即可求出A點的主應(yīng)力，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較。 Error! No bookmark name given. 實驗七 壓桿穩(wěn)定實驗 一、實驗?zāi)康? 1. 觀察和了解細(xì)長桿軸向受壓時喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象.

57、 2. 用電測法確定兩端鉸支壓桿的臨界載荷,并與理論計算的結(jié)果進(jìn)行比較. 二、實驗原理 根據(jù)歐拉小撓度理論，對于兩端鉸支的大柔度桿（低碳鋼λ≥λp=100），壓桿保持直線平衡最大的載荷，保持曲線平衡最小載荷即為臨界載荷，按照歐拉公式可得： 式中，E---材料的彈性模量; I---試件截面的最小慣性矩; L---壓桿長度; μ---和壓桿端點支座情況有關(guān)的系數(shù)，兩端鉸支桿 μ=1. 當(dāng)壓桿所受的荷載P小于試件的臨界力,壓桿在理論上應(yīng)保持直線形狀，壓桿處于穩(wěn)定平衡狀態(tài).當(dāng)P =時，壓桿處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定

58、平衡之間的臨界狀態(tài)稍有干擾,壓桿即失穩(wěn)而彎曲,其撓度迅速增加.若以荷載P為縱坐標(biāo),壓桿中點撓度δ為橫坐標(biāo)，按歐拉小撓度理論繪出的P-δ圖形即為折線OAB，如圖—(b)所示. (a) (b) 圖— 由于試件可能有初曲率，荷載可能有微小的偏心，以及材料的不均勻等因素,壓桿在受力后就會發(fā)生彎曲，其中點撓度δ隨荷載的增加而逐漸增大.當(dāng)P<<時, δ增加緩慢。當(dāng)P接近時，雖然P增加很慢，而δ卻迅速增大，如OA’B’。曲線OA’B’與折線OAB的偏離，就是由于初曲率載荷

59、偏心等影響造成，此影響越大，則偏離也越大。 若令桿件軸線為x坐標(biāo)軸，桿件下端為坐標(biāo)軸原點，則在ｘ＝處橫截面上的內(nèi)力如 圖---(a)為： = 壓桿穩(wěn)定實驗指導(dǎo)書 橫截面上的應(yīng)力為 當(dāng)用半橋溫度自補(bǔ)償?shù)姆椒▽㈦娮钁?yīng)變片接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀后，可消除由軸向壓力產(chǎn)生的應(yīng)變讀數(shù)，在應(yīng)變儀上讀數(shù)就是測點處由彎矩M產(chǎn)生的真實應(yīng)變的兩倍，把應(yīng)變儀讀數(shù)寫為，把真實應(yīng)變寫為ε，則=2ε。桿上測點處的正應(yīng)力為： 由彎矩產(chǎn)生的測點處的正應(yīng)力可表

60、達(dá)為： = 所以 = 即 由上式可見，在一定的荷載P作用下，應(yīng)變儀讀數(shù)的大小反映了壓桿撓度δ的大小。所以可用電測應(yīng)變的方法來確定臨界載荷。這只要在壓桿中間截面兩邊貼上電阻應(yīng)變片[ 圖—(a) ]按互補(bǔ)償半橋接法接到應(yīng)變儀上，隨著荷載P的增加測得相應(yīng)的應(yīng)變值ε，繪得P-ε曲線[ 圖---(b)]，根據(jù)試驗曲線作漸近線即得臨界載荷。 (a) (b)

61、 圖二 三、試驗儀器、裝置與工具 1．壓桿試驗臺。 2．壓桿試件。 3．靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。 4．游標(biāo)卡尺及鋼皮尺。 四、試驗方法與步驟 1．量取試件尺寸：厚度t ；寬度b ；長度L。量取截面尺寸時至少要沿長度方向量三個截面，取其平均值. 2．計算試件的臨界載荷，擬定分級加載方案. 3．安裝試件. 4．將電阻應(yīng)變片接入電阻應(yīng)變儀，按電阻應(yīng)變儀操作規(guī)程，調(diào)整儀器及“零”位. 5．分級加載，每加一級載荷，記錄一次應(yīng)變值，當(dāng)應(yīng)變突然變得很大時，停止加載.重復(fù)試驗2~3次. 6．測畢，取下試件，整理現(xiàn)場. 7．根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制P-ε曲線，作曲線的漸

62、近線確定臨界載荷Pcr值. 五、注意事項 由于采用杠桿加載，砝碼盤上所加的荷載令其為P*，則試件上所受的荷載P等于P*乘以杠桿比H,加上支座自重（0.7N）.可先繪制P*-ε曲線，得到P*cr值，然后再換算到值. 為了保證試件和試件上所貼的電阻應(yīng)變片都不損壞，可以反復(fù)使用，故本試驗要求試件的彎曲變形不可過大，應(yīng)變讀數(shù)控制在1500左右. 加載時，砝碼輕取輕放，嚴(yán)禁用手隨意撳壓加力桿和試件，不允許拿走和旋轉(zhuǎn)限位桿. 六、預(yù)習(xí)要求 復(fù)習(xí)有關(guān)理論，明確臨界載荷的意義，了解其測試方法. 試驗中應(yīng)記錄哪些數(shù)據(jù)？如何選取載荷增量？在接近值時要注意什么？ 七、問題討論 歐拉公式的應(yīng)

63、用范圍. 本試驗裝置與理想情況有何不同？ 試驗誤差分析. 二、綜合實驗 實驗一 粘貼電阻應(yīng)變片實驗 一、實驗?zāi)康? 1.初步掌握常溫用電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。 2.為后續(xù)電阻應(yīng)變測量的實驗做好在試件上粘貼應(yīng)變片、接線、防潮、檢查等準(zhǔn)備工作。 二、實驗設(shè)備和器材 1.常溫用電阻應(yīng)變片，每小組一包20枚。 2.數(shù)字式萬用表。 3.502粘結(jié)劑（氰基丙烯酸酯粘結(jié)劑）。 4.電烙鐵、鑷子、鐵沙紙等工具。 5.等強(qiáng)度梁試件，溫度補(bǔ)償塊。 6.丙酮、藥棉等清洗器材。 7.防潮用硅膠。 8.測量導(dǎo)線若干。 三、實驗方法和步驟 1.選片：在確定

64、采用那種類型的應(yīng)變計后，用肉眼或放大鏡檢查絲柵是否平行，有否霉點、銹點、用數(shù)字式萬用表測量各應(yīng)變片電阻值，選擇電阻值差在土0．5歐姆內(nèi)的8~10枚應(yīng)變片供粘貼用。 2.測點表面的清潔處理：為使應(yīng)變計與被測試件貼得牢,對測點表面要進(jìn)行清潔處理。首先把測點表面用砂輪，銼刀或砂紙打磨；使測點表面平整并使表面光潔度達(dá)。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑為止。然后用劃針在測片位置處劃出應(yīng)變計的座標(biāo)線。打磨好的表面，如暫時不貼片，可涂以凡士林等防止氧化。 如果測量對象為混凝土構(gòu)件，則須用噴漿方法把表面墊平。然后同樣進(jìn)行表面打磨清洗等工作。此外，在貼片部位，還得先涂一層隔潮層,可采用

65、環(huán)氧樹脂膠或用鋁箔紙，應(yīng)變計就貼于隔潮底層上。 3.貼片：在測點位置和應(yīng)變計的底基面上，涂上薄薄一層膠水，一手捏住應(yīng)變片引出線，把應(yīng)變計軸線對準(zhǔn)座標(biāo)線,上面蓋一層聚乙烯塑料膜作為隔層，用手指在應(yīng)變計的長度方向滾壓，擠出片下汽泡和多余的膠水，直到應(yīng)變計與被測物緊密粘合為止。手指保持不動約1分鐘后再放開，注意按住時不要使應(yīng)變片移動，輕輕掀開薄膜檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現(xiàn)象，否則需重貼。注意粘結(jié)劑不要用得過多或過少，過多則膠層太厚影響應(yīng)變片性能，過少則粘結(jié)不牢不能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。 圖1 應(yīng)變計的保護(hù) 4.干燥處理：應(yīng)變計粘貼好后應(yīng)有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度以保證與試件共同變形。此外，應(yīng)變計

66、和試件間應(yīng)有一定的絕緣度，以保證應(yīng)變讀數(shù)的穩(wěn)定。為此，在貼好片后就需要進(jìn)行干燥處理，處理方法可以是自然干燥或人工干燥。如氣溫在20℃以上，相對濕度在55％左右時用502膠水粘貼，采用自然干燥即可。人工干燥可用紅外線燈或電吹風(fēng)進(jìn)行加熱干燥，烘烤時應(yīng)適當(dāng)控制距離，注意應(yīng)變計的溫度不得超過其允許的最高工作溫度,以防應(yīng)變計底基烘焦損壞。 5.接線：應(yīng)變計和應(yīng)變儀之間用導(dǎo)線連接。需根據(jù)環(huán)境與試驗的要求選用導(dǎo)線。通常靜應(yīng)變測定用雙蕊多股平行線。在有強(qiáng)電磁干擾及動應(yīng)變測量時，需用屏蔽線。焊接導(dǎo)線前，先用萬用電表檢查導(dǎo)線有否斷路，然后在每根導(dǎo)線的兩端貼上同樣的號碼標(biāo)簽，避免測點多時造成差錯。在應(yīng)變計引出線下，貼上膠帶紙，以免應(yīng)變計引出線與被測試件(如被測試件是導(dǎo)電體的話)接觸造成短路。然后把導(dǎo)線與應(yīng)變計引線焊接在一起，焊接時注意防止假焊。焊完后用萬用電表在導(dǎo)線另一端檢查是否接通。 為防止在導(dǎo)線被拉動時應(yīng)變計引出線被拉壞，可使用接線端子,接線端子相當(dāng)于接線柱，使用時先用膠水把它粘在應(yīng)變計引出線前端,然后把應(yīng)變計引出線及導(dǎo)線分別焊于接線